Luận án Nghiên cứu sự biến đổi tổ chức và tính chất trong quá trình hàn thép không gỉ với thép cacbon

ảy ra khi hàn GMAW 
nhƣ: sự nóng chảy của điện cực, sự hình thành giọt kim loại lỏng, sự tiếp xúc và lan truyền 
của nó trong phôi. Quá trình động học cũng nhƣ sự kết tinh của vũng hàn cũng đƣợc xem 
xét. Qua đó tác giả đánh giá ảnh hƣởng của các tham số này tới hình dạng sau cùng của 
liên kết hàn (hình 1.21). 
Hình 1.21. (a) Sự phân bố nhiệt độ. (b) Sự phân bố tốc độ vận chuyển của hồ quang [27] 
Phôi 
Hƣớng 
hàn 
Mối 
hàn 
Biên giới nóng chảy 
Vũng hàn 
 15 
Song song với các nghiên cứu về tối ƣu hóa và mô phỏng, các nghiên cứu về sự chuyển 
pha, hình thành tổ chức trong mối hàn giữa hai vật liệu khác loại luôn chiếm một số lƣợng 
lớn và có vai trò quan trọng trong việc phân tích, đánh giá chất lƣợng mối hàn. 
M. O. H Amuda và S. Mridha [30] và hầu hết các nghiên cứu khác đều phân chia tổ 
chức mối hàn thành ba vùng: vùng nóng chảy, vùng ảnh hƣởng nhiệt và vùng kim loại cơ 
bản. Tổ chức tế vi của các vùng này khác nhau và phụ thuộc vào tham số công nghệ hàn. 
Trên hình 1.22 chỉ ra sự thay đổi tổ chức các vùng của mối hàn thép không gỉ ferit 430 (EN 
1,4016) khi thay đổi cƣờng độ dòng điện (50÷160 A) và tốc độ hàn (1÷3,5 mm/s). 
Hình 1.22. Tổ chức tế vi ứng với hai chế độ hàn khác nhau. FZ: Vùng nóng chảy, HAZ: Vùng 
ảnh hưởng nhiệt, BM: Kim loại cơ bản [30] 
Các tài liệu [2,31-40] tập trung vào quá trình kết tinh và sự hình thành δ-ferit trong vùng 
nóng chảy mối hàn. Mô hình kết tinh, hình thái của δ-ferit cũng nhƣ hàm lƣợng của nó 
thƣờng đƣợc dự đoán thông qua đồ thị Schaffle, Delong hay WRC-1992 kết hợp với thực 
nghiệm (dựa vào phầm mềm xác định tỉ phần pha) nhằm đánh giá ảnh hƣởng của nó tới tổ 
chức và chất lƣợng mối hàn. Ví dụ, hình 1.23 cho biết sự thay đổi hình thái của pha δ-ferit 
trong mối hàn giữa thép không gỉ và thép cacbon [34]. 
Hình 1.23. Hình thái của δ-ferit trong vùng nóng chảy của mối hàn hai vật liệu khác loại với sự 
thay đổi số lớp hàn. a) hàn 1 lớp, b) hàn 2 lớp, c) hàn 3 lớp [34] 
Các công trình [41-43] tập trung nghiên cứu sự chuyển pha trong vùng HAZ của mối 
hàn. Bên phía thép cacbon, đây thƣờng đƣợc coi là vùng yếu nhất trong mối hàn do sự hình 
thành các mactenxit hoặc bainit là pha cứng và giòn, dẫn tới sự suy giảm độ bền của vùng 
này so với các vùng khác. Bên phía thép không gỉ thƣờng bị ăn mòn do quá trình tiết cacbit 
tại biên giới hạt, làm ảnh hƣởng khá lớn tới chất lƣợng mối hàn. Một số nghiên cứu chỉ ra 
nghiên cứu sự hình thành cacbit crom diễn ra trong mối hàn thép không gỉ 304 chứa 0,05 
% cacbon. Tác giả chỉ ra rằng, sự hình thành cacbit crom Cr23C6 trong khoảng nhiệt độ từ 
(600÷850) 
0
C và trên 1100 
0
C là TiC. Tuy nhiên, nếu nguội nhanh thì cacbit crom sẽ không 
(a) (c) (b) 
 16 
đủ để tiết ra và vật liệu sẽ bão hòa cacbon tự do [44,45]. Kết quả đƣợc nêu trên hình 1.24, 
hình 1.25. 
Hình 1.24. Ăn mòn ứng suất gần chân mối hàn 316L [45] 
Hình 1.25. Đường cong đẳng nhiệt tiết pha cacbit crom trong thép không gỉ 304 [2] ] 
Một điểm đáng chú ý trong mối hàn giữa hai vật liệu khác loại là sự hình thành vùng 
chuyển tiếp tại biên giới nóng chảy. Do sự hòa trộn của kim loại điện cực vào kim loại mối 
hàn dẫn tới sự chênh lệch nồng độ của các nguyên tố hợp kim tại vùng chuyển tiếp. Đây là 
một trong các nguyên nhân hình thành lớp mactenxit tại biên giới nóng chảy, đồng thời tạo 
ra động lực thúc đẩy sự khuếch tán của cacbon từ phía có hàm lƣợng nguyên tố hợp kim 
thấp sang phía có hàm lƣợng nguyên tố hợp kim cao [46-50]. 
Hình 1.26. Đường nồng độ cacbon của mối hàn 1Cr/12Cr sau xử lý nhiệt ở 730 0C trong 10 giờ 
[46] 
Ăn mòn 
Đƣờng 1 
0.01 0.1 1 10 
Thời gian, phút 
Đƣờng 2 
Tiết cacbit M23C6 
Không tiết cacbit M23C6: 
0 
950 
850 
750 
650 
550 
Đƣờng 2 
Đƣờng 1 
N
h
iệ
t 
đ
ộ
, 
0
C
 1100
0
C 
0.05%C 
Khoảng cách, mm 
H
àm
 l
ƣ
ợ
n
g
 c
ac
b
o
n
 17 
1.3.2. Những nghiên cứu trong nƣớc 
 Nghiên cứu của Vũ Đình Toại [51] nghiên cứu công nghệ hàn liên kết nhôm 
AA1100 và thép CCT38 dạng chữ T bằng quá trình hàn TIG. Tác giả đã xây dựng chƣơng 
trình tính toán thiết kế tối ƣu liên kết hàn bằng phƣơng pháp số, mô phỏng quá trình hàn để 
đánh giá khả năng liên kết và dự báo các khuyết tật có thể xảy ra. Qua đó xây dựng mối 
quan hệ giữa năng lƣợng đƣờng cấp vào vùng hàn với nhiệt độ cực đại tại các vị trí trên bề 
mặt tấm thép. Vùng năng lƣợng đƣờng phù hợp đối với liên kết hàn là q = (680÷720) 
(J/mm). Tác giả cũng tập trung nghiên cứu ảnh hƣởng của góc nghiêng mỏ hàn đến hiện 
tƣợng quá nhiệt và tìm ra với góc nghiêng mỏ hàn Ay = 20
0
 là phù hợp nhất với liên kết 
này (hình 1.27). 
Hình 1.27. (a) Trường nhiệt độ phân bố tức thời trong liên kết hàn nhôm – thép chữ T khi 
nguồn nhiệt di chuyển đến giữa mô hình (P = 2400 W, vh = 3,5 mm/s). (b) Tổ chức tế vi tại vùng 
liên kết giữa kim loại mối hàn và tấm nhôm AA1100 [51] 
Cũng nghiên cứu đối với liên kết hàn giữa thép và nhôm [102] sử dụng phƣơng pháp 
hàn nổ nhằm tìm ra công nghệ chế tạo vật liệu ba lớp thép – nhôm – hợp kim nhôm trong 
công nghiệp đóng tàu. Tác giả cũng đƣa ra đƣợc mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ 
giữa các tham số công nghệ tới chất lƣợng độ bền bám kết khi hàn nổ. 
Các nghiên cứu khác trong nƣớc xoay quanh bài toán tối ƣu hóa công nghệ hàn tới chất 
lƣợng mối hàn trong hàn tự động dƣới lớp thuốc, hàn ma sát khuấy [103]. 
1.3.3. Nhận xét về tình hình nghiên cứu 
1.3.3.1. Các hướng nghiên cứu chính về mối hàn hai vật liệu khác loại 
Qua phân tích tính hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc, các hƣớng nghiên cứu chính 
về hàn hai vật liệu khác loại đƣợc tổng kết dƣới đây. 
1. Lựa chọn, tối ƣu hóa vật liệu và phƣơng pháp hàn 
2. Truyền nhiệt, truyền chất trong quá trình hàn 
3. Sự kết tinh, chuyển pha trong quá trình hàn 
4. Xử lý nhiệt trƣớc và sau khi hàn 
1.3.3.2. Nhận xét về tình hình nghiên cứu trong nước 
Công nghệ hàn là một trong các lĩnh vực không thể thiếu trong sự phát triển kinh tế của 
đất nƣớc. Những nghiên cứu liên quan cũng đƣợc các nhà khoa học quan tâm trong những 
năm gần đây nhằm làm chủ các công nghệ mới và cải thiện điều kiện sản xuất vốn có. Các 
hƣớng nghiên cứu chính trong nƣớc thƣờng tập trung vào các vấn đề sau: 
 i) Nghiên cứu xoay quanh tối ƣu hóa công nghệ hàn nhƣ: thay đổi phƣơng pháp hàn, 
thay đổi tham số công nghệ hàn về cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế, tốc độ hàn, tƣ thế 
hàn, môi trƣờng bảo vệ ... 
(a) (b) 
 18 
ii) Nghiên cứu về trƣờng nhiệt độ và ứng suất biến dạng mối hàn qua việc ứng dụng các 
phần mềm chuyên sâu. 
Trên thực tế, cho tới nay chƣa có một nghiên cứu chuyên sâu về sự thay đổi tổ chức tế 
vi của mối hàn giữa hai loại vật liệu khác loại. Điều này gây ra một số hạn chế sau: 
- Do không hiểu rõ mối quan hệ “yếu tố công nghệ – tổ chức – tính chất” nên tổ chức 
mối hàn chƣa đáp ứng đƣợc yêu cầu. 
- Hạn chế trong việc xử lý khuyết tật mối hàn trong thời gian làm việc, dẫn tới việc sửa 
chữa gây tốn kém. 
- Gặp nhiều khó khăn khi thực hiện các mối hàn áp dụng công nghệ mới hoặc thay đổi 
vật liệu và điện cực. 
1.3.3.3. Xu hướng nghiên cứu về công nghệ hàn 
Công nghệ hàn ra đời từ rất lâu nhƣng những nghiên cứu về nó vẫn rất đƣợc quan tâm 
và ngày càng mở rộng trên nhiều lĩnh vực áp dụng với nhiều hệ vật liệu khác nhau. Xu 
hƣớng nghiên cứu trên thế giới có thể tổng kết nhƣ sau : 
1. Mở rộng trên nhiều hệ vật liệu 
2. Nghiên cứu công nghệ hàn tiên tiến 
3. Nghiên cứu tổ chức, cơ tính vật liệu sau hàn ở trạng thái vi mô 
4. Đánh giá ứng xử vật liệu mối hàn trong các điều kiện làm việc 
1.4. Tóm tắt chƣơng 1 
 Hàn hai vật liệu khác loại khó đảm bảo yêu cầu kỹ thuật hơn so với hàn hai vật liệu 
cùng loại do sự khác nhau về thành phần hóa học và tính chất vật lý. Điều này dẫn tới khó 
khăn trong việc xác định công nghệ hàn cũng nhƣ biện pháp phụ trợ, xử lý trƣớc và sau khi 
hàn. 
Sự thay đổi tổ chức tế vi, tính chất cũng nhƣ sự hình thành khuyết tật ảnh hƣởng trực 
tiếp từ tham số công nghệ hàn và tiếp tục thay đổi trong điều kiện làm việc. Việc nắm đƣợc 
quy luật thay đổi có ý nghĩa quan trọng trong việc phân tích, đánh giá và làm chủ quy trình 
công nghệ 
Các nghiên cứu trong nƣớc về công nghệ hàn, đặc biệt là nghiên cứu sâu về mặt tổ chức 
còn rất hạn chế. Đố là một trong các nguyên nhân dẫn tới việc lệ thuộc vào công nghệ hàn 
của nƣớc ngoài. 
 19 
15
Cu
4
Mo
6
Mn
2
P
15
Ni
4
V
3
Cr
CCtd 
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 
2.1. Các yếu tố ảnh hƣởng tới sự thay đổi tổ chức tế vi và tính 
chất của mối hàn giữa thép không gỉ austenit với thép cacbon 
2.1.1. Vật liệu hàn 
2.1.1.1. Thép cacbon và tính hàn 
 Thép cacbon là hợp kim của Fe-C với hàm lƣợng cacbon nhỏ hơn 2,14 %. Tuy nhiên 
trong thực tế tùy theo điều kiện nấu luyện mà còn có nhiều nguyên tố khác nhƣ Mn, Si, P, 
S, các tạp chất ẩn nhƣ H, N, O và các tạp chất ngẫu nhiên nhƣ Cr, Ni, Cu, W, Ti, Mo, V  
Thành phần hóa học của thép cacbon đƣợc giới hạn nhƣ sau: < 2 % C, (0,5÷0,8) % Mn, 
(0,3÷0,6) % Si, (0,05÷0,06) % P, (0,05÷0,06) % S. 
Tính hàn của thép là khả năng kim loại đó cho liên kết hàn đảm bảo yêu cầu kỹ thuật 
trong các điều kiện công nghệ, thiết bị xác định. 
Chỉ số cacbon tƣơng đƣơng để đánh giá tính hàn là: 
 (2.1) 
Thép cacbon và thép hợp kim thấp có tính hàn tốt, đƣợc ứng dụng rộng rãi trong sản 
xuất. Khi phần trăm cacbon thấp, tổ chức thu đƣợc là ferit và peclit (hoàn toàn không có 
xementit phân tán), do vậy chất lƣợng mối hàn đạt đƣợc cao. Khi phần trăm cacbon tăng, 
việc hình thành xementit tăng dẫn đến tiết pha riêng, làm giảm tính hàn. Trên thực tế, với 
thép có < 0,4 % C có tính hàn tốt nhất. 
Nếu trong thép có các nguyên tố hợp kim sẽ làm tốc độ nguội tới hạn giảm dẫn đến 
trong tổ chức mối hàn dễ xuất hiện mactenxit, gây giòn và dễ nứt liên kết hàn. 
2.1.1.2. Thép không gỉ austenit 
Thép không gỉ austenit là thép có cho thêm các nguyên tố mở rộng vùng γ (nguyên tố 
Ni), do đó thép có tổ chức γ ngay ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ thƣờng. Thành phần chủ yếu 
của thép không gỉ austenit có hàm lƣợng cacbon thấp là >16 % Cr, (8÷10) % Ni, 0,035 % 
P, 0,02 % S, ngoài ra còn có các nguyên tố khác nhƣ Ti, Mn, Si  
So với thép cacbon, thép không gỉ có tính hàn kém hơn nhiều. Độ dẫn nhiệt, độ giãn nở 
nhiệt và điện trở suất có ảnh hƣởng đáng kể đến tính hàn của thép không gỉ. Vì hệ số giãn 
nở nhiệt khá cao và độ dẫn nhiệt thấp của thép không gỉ mà kĩ thuật hàn thép không gỉ 
nhằm giảm biến dạng sẽ phức tạp hơn khi hàn các loại thép khác. Do độ dẫn nhiệt kém nên 
năng lƣợng đƣờng cần thiết để hàn thép không gỉ thấp hơn thép cacbon (xem bảng 1.2). 
Mặc dù thép không gỉ austenit đƣợc coi là có tính hàn tƣơng đối tốt so với các loại thép 
không gỉ khác, tuy nhiên do chịu ảnh hƣởng của việc hợp kim hóa bằng nhiều nguyên tố và 
sự tác động của các yếu tố khác nhau trong quá trình hàn nên vẫn xảy ra một số vấn đề sau 
[2,52]: 
- Nứt nóng mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt. 
- Giòn kim loại mối hàn khi làm việc ở nhiệt độ cao. 
- Suy giảm cơ tính thép không gỉ austenit do hệ số dãn nở nhiệt lớn. 
- Phá hủy liên kết hàn thép không gỉ austenit do ăn mòn tinh giới. 
- Phá hủy liên kết hàn thép không gỉ austenit do ăn mòn dƣới ứng suất. 
Do đó, để đảm bảo chất lƣợng mối hàn thép không gỉ đòi hỏi phải có công nghệ phù 
hợp, nhƣ lựa chọn điện cực hàn, chế độ hàn cũng nhƣ chế độ gia nhiệt, xử lý nhiệt sau hàn. 
 20 
2.1.2. Nguồn nhiệt hàn 
Tƣơng quan giữa nhiệt độ của vật hàn và thời gian có thể đƣợc biểu diễn về mặt lý 
thuyết thông qua phân tích truyền nhiệt trong quá trình hàn. Sự truyền nhiệt của vật hàn 
bao gồm nhiều hiện tƣợng phức tạp nhƣ đối lƣu, bức xạ, dẫn nhiệt và chuyển động của 
dòng kim loại lỏng. Việc tìm hiểu quá trình này đòi hỏi giải các phƣơng trình vi phân 
truyền nhiệt sử dụng phƣơng pháp số nhƣ sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn bằng sự 
hỗ trợ của các phần mềm máy tính [1,53, 54]. Quá trình truyền nhiệt ở đây có thể đƣợc 
chia làm hai giai đoạn. Giai đoạn một xét tới đặc điểm của hồ quang hàn và sự chuyển 
động của phần tử trong giọt kim loại lỏng tính từ lúc hình thành cho tới khi va chạm vào 
kim loại cơ bản [55-59]. Giai đoạn hai là quá trình truyền nhiệt từ nguồn nhiệt (tâm mối 
hàn) ra môi trƣờng xung quanh [60-65]. 
2.1.2.1. Khái niệm nguồn nhiệt 
Nguồn nhiệt trong quá trình hàn hồ quang là vị trí có nhiệt độ lớn nhất, thƣờng đƣợc coi 
là trung tâm của mối hàn. 
Đối với các mối hàn giáp mối, nguồn nhiệt chạy dọc theo trục của mối hàn (coi là 
nguồn nhiệt đƣờng tức thời) làm nóng chảy kim loại điện cực và kim loại cơ bản tạo thành 
vũng hàn. Lúc này coi nguồn nhiệt đƣợc phân bố đều trên toàn bộ chiều dài vật hàn. Nhiệt 
của nguồn nhiệt đƣợc truyền theo hai hƣớng: theo phƣơng vuông góc với chiều chuyển 
động của nguồn nhiệt hàn (Oy) và xuyên qua kim loại (Oz). 
Nguồn nhiệt hàn đƣợc đánh giá thông qua các tham số công nghệ hàn gồm: cƣờng độ 
dòng điện, hiệu điện thế, tốc độ hàn. Giá trị đƣợc dùng để đánh giá lƣợng nhiệt cung cấp 
trong suốt quá trình hàn đƣợc gọi là năng lƣợng đƣờng (qd). Năng lƣợng đƣờng là năng 
lƣợng trên một đơn vị chiều dài, đƣợc đo bằng tỷ số giữa công suất nhiệt hiệu dụng của 
nguồn hồ quang Q với tốc độ di chuyển của nguồn nhiệt hàn v. Đây là thông số quan trọng 
của chế độ hàn để đánh giá chu trình nhiệt hàn đối với kim loại cơ bản và kim loại đắp. 
 [j/cm] (2.2) 
U: Hiệu điện thế (V) 
I: Cƣờng độ dòng điện (A) 
V: Tốc độ hàn (cm/s) 
Rodenthal và một số tác giả khác [54,64,65] đã mô tả sự chuyển động của nguồn nhiệt 
thông qua mô hình toán học. Khi đó, nguồn nhiệt hàn đƣợc giả thiết là đồng đều và di 
chuyển với tốc độ không đổi dọc theo hệ trục tọa độ x. 
Xét sự di chuyển của nguồn nhiệt hàn dọc theo chiều âm của trục x với tốc độ v. Nếu bỏ 
qua giai đoạn đầu và kết thúc mối hàn thì nguồn nhiệt chuyển động trên phôi với chiều dài 
vừa đủ là ổn định. Hay nói một cách khác, sự phân bố nhiệt độ và hình học của vũng hàn là 
không đổi theo thời gian (hình 2.1). 
Phƣơng trình Rodenthal đƣợc biểu diễn cho tấm dày và tấm mỏng. 
* Xét đối với tấm dày: 
 21 
Hình 2.1. Hệ tọa độ của nguồn nhiệt [1] 
Chiều dày của vật hàn có ảnh hƣởng đáng kể tới sự phân bố nhiệt của nguồn nhiệt 
hàn. Ta xét phƣơng trình Rosenthal cho hai trƣờng hợp sau: 
* Xét với tấm mỏng, lúc này dòng nhiệt theo chiều dày của phôi là rất nhỏ, có thể 
bỏ qua. 
Hình 2.2. Sự chuyển động của nguồn nhiệt khi xét với tấm mỏng [1] 
Phƣơng trình biểu diễn sự phân bố nhiệt độ có dạng: 
 √ 
 ( 
) 
(2.3) 
Trong đó: 
T: Nhiệt độ (0C) 
T0: Nhiệt độ của phôi trƣớc khi hàn (
0
C) 
Q: Công suất nhiệt hiệu dụng của nguồn hồ quang (J) 
v: Tốc độ hàn (m/s) 
d: Chiều dày của phôi (m) 
λ: Hệ số dẫn nhiệt (J.s-1m-1 0C-1) 
 : Nhiệt dung khối (Jm-30C-1) 
Nguồn nhiệt, Q 
Vũng hàn Tốc độ, V 
d 
 22 
a: Hệ số khuếch tán nhiệt (m2/s). 
ρ: Khối lƣợng riêng (kg/m3) 
c: Nhiệt dung riêng (J/(kg.K) 
t: Thời gian (s) 
r : Là khoảng cách bán kính tính từ tâm. Ta có r = (x2+y2)1/2 (m) 
Phƣơng trình trên có thể sử dụng để tính nhiệt độ T(x,y) tại bất cứ điểm nào trên phôi (x,y) 
ứng với sự di chuyển của nguồn nhiệt. 
* Đối với tấm dầy, phƣơng trình phân bố nhiệt đƣợc coi là nghiệm cho nguồn nhiệt 
đƣờng có dạng nhƣ sau: 
 ( 
) (2.4) 
Trong đó: 
r: là khoảng cách tính theo bán kính từ tâm, r = (x2+y2+z2)1/2. 
Hình 2.3. Sự chuyển động của nguồn nhiệt trong tấm dày [1] 
Nhƣ vậy, với công thức 2.3 và 2.4 có thể xây dựng đƣờng cong chu trình nhiệt và đƣờng 
cong đẳng nhiệt của quá trình hàn hồ quang đối với tấm mỏng và tấm dày. 
Trong quá trình tính toán trƣờng nhiệt độ cho quá trình hàn, phƣơng trình Rosethal đƣợc 
đƣợc áp dụng. Tuy nhiên, nhƣ phân tích ở trên, phƣơng trình Rosenthal áp dụng cho cả tấm 
mỏng và cho tấm dày. Do vậy, để lựa chọn phƣơng trình phù hợp cần xác định chiều dày 
danh nghĩa của phôi hàn dc. Giá trị này phụ thuộc vào thông số hàn cũng nhƣ đặc tính của 
vật liệu. Nếu d dc sử dụng công 
thức Rosenthal cho tấm dày. 
Công thức tính chiều dày danh nghĩa dc : 
1/2
0 0
/ 1 1
2 500 800c
q v
d
c T T 
(2.5) 
Trong suốt quá trình hàn, chu trình nhiệt đƣợc lặp lại giống nhau tại các vị trí nằm trên 
mặt phẳng song song với xOz. Ví dụ, xét điểm M (x, 4, 0) nhƣ trên hình 2.4, nghĩa là M 
nằm trên bề mặt của vật hàn (z = 0) chạy trên đƣờng thẳng y = 4 mm song song với chiều 
di chuyển của nguồn nhiệt và có tọa độ x thay đổi. Khi nguồn nhiệt di chuyển với tốc độ 
không đổi v, chu trình nhiệt tại các điểm M đƣợc mô tả nhƣ sau: điểm M1 (x1,4,0) đƣợc 
Nguồn nhiệt, Q 
Tốc độ hàn, v Vũng hàn 
 23 
nung nóng tới nhiệt độ lớn nhất (Tp), sau đó nhiệt độ giảm dần về tới nhiệt độ môi trƣờng 
T0. Đến điểm M2 (x2,4,0) quá trình nung nóng làm nguội cũng đƣợc diễn ra tƣơng tự. Quá 
trình cứ tiếp tục lặp lại tƣơng tự với từng vị trí điểm nằm trên đƣờng thẳng song song với 
trục Oy và đi qua điểm M. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ - thời gian tại từng 
vị trí xác định gọi là chu trình nhiệt (thermal cycles). Từ phƣơng trình của Rosenthal có thể 
xác định đƣợc đƣợc chu trình nhiệt tại các điểm trên vật hàn bằng mối quan hệ giữa quãng 
đƣờng dịch chuyển của que hàn x và tốc độ V, t = (x – 0)/V. Ngoài ra, đƣờng tập hợp tất cả 
các điểm có nhiệt độ bằng nhau tại một thời gian xác định ta gọi là các mặt đẳng nhiệt. 
 (a) 
 (b) 
Hình 2.4. Kết quả tính toán từ phương trình Rosenthal cho tấm dày [15]. (a) Chu trình nhiệt, (b) 
các đường đẳng nhiệt. Ứng với tốc độ hàn 2,4 mm/s, năng lượng đường 3200 W, vật liệu thép 
cacbon thấp [1] 
2.1.2.2. Ảnh hưởng của nguồn nhiệt tới tổ chức mối hàn 
Nguồn nhiệt hàn ảnh hƣởng tới sự hình thành tổ chức trong mối hàn. Nguồn nhiệt hàn 
đƣợc đánh giá thông qua năng lƣợng đƣờng qđ và giá trị này phụ thuộc vào các tham số hàn 
nhƣ công thức (2.2). Kou và Le [1] chỉ ra rằng, khi năng lƣợng đƣờng tăng, hình dáng của 
vũng hàn sẽ bị kéo dài hơn, chuyển từ dạng elip sang dạng giọt nƣớc và sự thay đổi hình 
dáng này cũng khác nhau đối với từng loại vật liệu. Năng lƣợng đƣờng còn ảnh hƣởng 
đáng kể tới tổ chức vùng kim loại mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt. Trong mối hàn thép 
không gỉ austenite 202, khi năng lƣợng đƣờng nhỏ, δ-ferit trong vùng kim loại mối hàn có 
kích thƣớc nhỏ, khoảng cách giữa các nhánh cây nhỏ; ngƣợc lại nếu năng lƣợng đƣờng 
lớn, ferit dạng nhánh cây sẽ kéo dài hơn và khoảng cách giữa các nhánh cây rộng hơn [66]. 
Trong vùng ảnh hƣởng nhiệt, năng lƣợng đƣờng càng lớn thì bề rộng vùng ảnh hƣởng nhiệt 
Thời gian, s 
N
h
iệ
t 
đ
ộ
, 
0
C
Biên giới nóng chảy 
 24 
càng lớn. Kích thƣớc của các hạt trong vùng này cũng tỉ lệ thuận với năng lƣợng đƣờng 
[67,68]. Đối với ảnh hƣởng của năng lƣợng đƣờng tới cơ tính của mối hàn, có nhiều quan 
điểm khác nhau đƣợc đƣa ra [69-75]. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, khi năng lƣợng đƣờng 
tăng thì độ cứng tế vi trong vùng kim loại mối hàn và vùng ảnh hƣởng nhiệt tăng, độ bền 
kéo tăng, độ dai va đập giảm. Tuy nhiên, trong một vài trƣờng hợp, độ cứng, độ bền kéo lại 
giảm khi tăng năng lƣợng đƣờng. Nguyên nhân là do sự hình thành cacbit, hoặc tạo ra các 
pha giòn, kém bền trong vùng ảnh hƣởng nhiệt của vật liệu. 
 Việc xác định chu trình nhiệt, đƣờng cong nhiệt độ lớn nhất có vai trò quan trọng trong 
việc tính toán tốc độ nguội, bề rộng vùng ảnh hƣởng nhiệt cũng nhƣ dự đoán đƣợc tổ chức 
trong vùng HAZ của mối hàn. 
Nhiệt độ tối đa là nhiệt độ lớn nhất tại từng vị trí trên vùng HAZ đạt đƣợc trong suốt 
quá trình hàn. Từ phƣơng trình Rossenthal, nhiệt độ tối đa tại từng điểm đƣợc xác định 
bằng cách tìm cực trị của phƣơng trình (2.6) đối với tấm mỏng và phƣơng trình (2.7) đối 
với tấm dày. 
- Với tấm mỏng (2D): 
1/2
0
2 /
2
p
q v
T T
e d c r 
(2.6) 
- Với tấm dày (3D): 
 (
)
 (2.7) 
Trong đó: 
Tp: Là nhiệt độ tối đa tại vị trí cách nguồn nhiệt một khoảng r (
0
C) 
2.1.3. Tốc độ nguội 
Tốc độ nguội là đại lƣợng đặc trƣng cho sự giảm nhiệt độ theo thời gian 
Tốc độ nguội có ảnh hƣởng trực tiếp tới tổ chức tế vi và tính chất sau cùng của vật liệu. 
Hầu hết các nghiên cứu đã